一种组合动力装置爆震点火的三维数值模拟

为在组合动力中寻求一种可靠、高频的爆震起爆方法,对超声速环形向心射流产生的激波在抛物形凹面腔内形成激波会聚,并起爆爆震的过程进行了三维的数值模拟。分析了环形向心射流的发展、前导激波的碰撞、激波会聚起爆爆震波及爆震波传播过程的流场变化情况。研究发现:除了激波的强度和混合气的性质这两个关键影响因素以外,在一定条件下,几何条件对能否起爆爆震有非常重要的影响。前导激波的碰撞和激波会聚产生的压力升高要远高于温度升高。激波在凹面腔内会聚形成的高能区域能直接起爆过驱动爆震波,起爆后过驱动爆震波迅速衰退成CJ爆震波。爆震波平均波速为1929.8m/s,波后压力为1.5MPa,温度为3400K。     

环形射流初始压力对激波聚焦起爆的影响分析

为了研究射流入射压力对环形激波聚焦爆震起爆的影响,以氢气和空气混合物为例,对不同射流入射压力下环形激波聚焦爆震起爆过程进行了数值模拟,结果表明,当环形射流入射强度足够大时,其形成的激波聚焦能够形成高温、高压区域,从而直接起爆爆震波;爆震管推力壁对激波具有反射加强作用,有助于爆震波的形成;环形射流入射压力存在一个临界值,低于此值时,则不能起爆爆震波.     

横向射流起爆爆震波数值研究

采用CFD软件对横向喷射的射流在预先充满丙烷/空气恰当比混合物的爆震室中起爆爆震波的过程和机理进行了数值模拟,并讨论了射流的压力、速度以及温度对爆震波起爆特性的影响.结果表明,对于计算的物理模型,爆震射流不能在爆震室中直接起爆爆震波;射流与壁面的碰撞形成激波反射,激波反射产生的横渡、热点和局部爆震引发起爆;能够成功起爆爆震波的横向射流存在最小的射流压力,该射流压力为0.9MPa;较小的射流压力、较小的射流速度或较低的射流温度都不利于横向射流在爆震室中起爆爆震波.     

导流角对激波聚焦起爆爆震的影响

为研究两级脉冲爆震发动机环形射流入口导流角对激波聚焦起爆爆震的影响,以H2/O2/N2混合气为介质,对不同导流角下激波聚焦起爆爆震的过程进行了数值模拟,并开展导流角对激波聚焦起爆爆震影响的冷态实验,共同揭示其影响规律。结果表明:导流角越大,射流碰撞压力和温度越高,碰撞时间提前,更容易起爆爆震,但激波聚焦时间在导流角大于11°时基本不变；导流角越大,凹面腔内气流振荡频率越大,凹面腔底部的动压幅值越小。      

射流宽度对激波会聚起爆的影响分析

为了研究射流入射喷口宽度对环形激波聚焦爆震起爆的影响,以氢气和空气混合物为例,对不同射流入射喷口宽度的环形激波聚焦爆震起爆过程进行了数值模拟。结果表明,当入射射流的温度为一定值时,不同宽度的环形射流入射喷口对应着不同入射压力Pin的临界值,当Pin大于该临界值时,其形成的激波聚焦才能够形成高温、高压区域,从而起爆爆震波;随着入射喷口宽度的增加,射流的入射强度增大,其对应的临界入射压力随之增大。     

入射喷口宽度对环形射流激波聚焦起爆爆震的影响分析

为了研究射流入射喷口宽度对环形激波聚焦爆震起爆的影响,本文以氢气和空气混合物为例,对不同射流入射喷口宽度的环形激波聚焦爆震起爆过程进行了数值模拟,结果表明,当入射温度为一定值时,不同宽度的环形射流入射喷口对应着不同入射压力pin的临界值,当pin大于该临界值时,其形成的激波聚焦才能够形成高温、高压区域,从而起爆爆震波;随着入射喷口宽度的增加,射流的入射强度增大,其对应的临界入射压力随之减小。     

气流出口型面对凹面腔内激波聚焦起爆的影响

为提高两级脉冲爆震发动机工作的可靠性，探寻强化凹面腔内激波聚焦起爆爆震波的方法，通过数值模拟，采用氢气作为燃料、空气作为氧化剂，探讨了3种凹面腔气流出口型面及出口面积对激波聚焦起爆的影响。结果表明:采用垂直出口壁面有助于提高凹面腔内的激波聚焦起爆压力和温度，使起爆时刻提前，随着出口面积的减小，激波聚焦峰值压力有较大的提高；但效果不如垂直壁面，随着倾斜壁面出口面积减小，起爆点的压力和温度只有小幅度增加，起爆时刻基本无变化；采用弧形出口壁面，不能对向凹面腔底部传播的激波产生反射强化作用，不能有效起爆爆震波。对比3种出口壁面型面，垂直壁面能更有利于凹面腔内的能量聚集，强化激波聚焦起爆爆震波。      

斜向环形激波聚焦诱导直接起爆的大涡模拟

基于大涡模拟(LES)数值方法,利用基元反应模型对斜向环形激波聚焦诱爆氢气-空气可燃混合气直接起爆进行了详细的数值模拟.研究结果表明:在进气马赫数为2.5的条件下,斜向环形激波聚焦产生的高能区可以在可燃气体中实现直接起爆形成爆震波,并且燃料能够高效完全反应;而垂直环形激波则没能诱导出爆震燃烧过程.可见,斜向环形入射比垂直环形入射更加有利于燃料混合气聚焦诱导起爆成爆震燃烧.     

分隔式射流通道对凹面腔内爆震起爆与反传的影响

针对凹面腔内激波聚焦起爆的爆震波反传现象,采用燃料与氧化剂以分隔式通道进入凹面腔的非预混燃料入射方案,通过数值计算,主要探讨了射流入射通道截面积、各截面积比和通道数量对激波聚焦起爆的影响作用。计算结果表明:燃料/氧化剂射流入射通道截面积比为化学恰当比时,凹面腔底部的掺混程度较好,有利于点火起爆;入射通道截面积比为化学恰当比的多入射通道方案,其凹面腔底部激波聚焦起爆时温度和压力更高,相同时刻的燃烧流场其温度和压力峰值均较高,更利于增强凹面腔内的掺混程度,使燃料浓度分布均匀;小截面积比的射流入射通道,有助于增大波阻提高抑制压力反传效果,减小压力反传强度。     

凹面腔尺寸和曲率对激波会聚起爆的影响分析

为了研究凹面腔构型对环形射流聚心碰撞产生激波会聚起爆爆震的影响及作用规律,本文以氢气和空气混合物为例,对不同尺寸和曲率的凹面腔内激波会聚起爆爆震过程进行了数值模拟,结果表明,在凹面腔尺寸的选择上,要同时考虑射流强度和凹面腔空间对入射激波造成的衰减作用,平衡两者,从而选择出合适的凹面腔。凹面腔曲率既不能太大,也不能太小。本文算例中,直径为74mm,开口直径为70mm的部分球形凹面腔起爆性能最优。     

环形射流喷口位置对激波聚焦起爆的影响分析

为了研究环形射流喷口位置对激波聚焦起爆爆震的影响,以氢气和空气混合物为例,对不同环形射流喷口位置条件下的激波聚焦起爆过程进行了数值模拟。结果表明,随着喷口距凹壁面距离L增大,直接聚焦起爆和凹壁面反射起爆所需的临界入射压力逐渐增大,相应的聚焦时刻会滞后,形成焦点的位置距凹壁面越远。     

水下冲击波聚焦作用下空化效应的实验研究

冲击波聚焦在聚焦区域形成局部较高压力的同时还会在焦区产生空化效应。基于旋转椭球面反射罩及置于其焦点的水中脉冲放电声源建立了水下冲击波聚焦系统。通过压力传感器测量了反射罩轴向的压力历程曲线及峰值压力分布。同时，搭建了高速摄影所需的光学装置，拍摄了空化现象的高速摄影图片，对水下冲击波聚焦过程和空化汽泡的产生、发展及湮灭的整个过程进行了研究。对压力历程曲线和高速摄影所得结果进行对比分析得到空化现象产生的物理过程。实验结果表明：负压是空化现象发生的主要原因，空化汽泡的塌缩时间与汽泡半径存在线性关系，并且汽泡膨胀阶段持续的时间大于塌缩阶段持续的时间。     

脉冲爆震发动机快起爆的二维数值模拟

为研究脉冲爆震发动机的点火过程，用二维欧拉方程和Korobeinikov两步爆震模型对爆震波快起爆过程进行了数值模拟研究。用高温高压未燃气体点火方式来模拟试验中的电火花塞点火。研究表明：电火花塞的能量不足以直接点燃爆震波，爆震波是在经历了一系列反射激波的相互作用后最终建立的。激波．爆震波转捩是快点火过程，是爆震波建立的一个非常重要的机理。在设计点火装置时，火花塞要尽可能靠近壁面和拐角，以便产生高强度的反射激波。同时还要控制反射激波的方向，使之向未燃气体中顺利传播，才能起到很好的点火效果。     

两相爆震波多管同步点火技术的实验研究

为了研究基于液态燃料的爆震波点火技术,进行了一系列液态煤油/氧气爆震波点火实验。实验中氧气和煤油的供给压力分别为1.0 MPa和0.7 MPa,火花塞点火能量为50 mJ。研究了两相爆震波点火技术的基本特性,实验表明:采用低点火能量能够快速产生充分发展的爆震波,煤油/氧气爆震压力可达4.0 MPa,爆震波速度可达1500 m/s到2001 m/s,尾焰温度约为2075 K。开展了两相爆震波由单管向多管传播的实验,验证了两相爆震波多管点火技术的可行性,目前可实现四管同步点火。实验显示两相爆震波点火技术重复性强,多管点火具有较好的同步性,时间差别为几十个微秒量级,适用于多燃烧室液态火箭发动机的同步点火。     

基于预爆震管的旋转爆震波建立和传播过程研究

预爆震管已成为旋转爆震发动机的主流点火方式，为研究预爆震管点火方式下旋转爆震波的起始和传播过程，本文采用动态压力传感器、离子探针以及高速摄影等实验手段，分析了旋转爆震波的建立过程，探讨了预爆震管与燃烧室的相互作用，总结了预爆震管出口直径、初始填充压力以及排气时间对旋转爆震波建立和传播的影响。研究表明：由于衍射作用，从垂直安装预爆震管传出的爆震波，在燃烧室内迅速发生解耦，形成来两道传播速度相同、方向相反的的低速燃烧波。两道燃烧波沿燃烧室周向不断加速并对撞，对撞多次后最终发展成一道旋转爆震波。预爆震管出口直径对旋转爆震波建立时间的影响要明显大于初始填充压力的影响。增大预爆震管出口直径，可提高燃烧室内初道激波和燃烧波的强度，有利于降低DDT时间，但由于预爆震管对旋转爆震波的传播具有一定消弱作用，旋转爆震波的平均传播速度略有减小。当预爆震管处于排气阶段时，旋转爆震波仍可稳定传播，其排气过程并不影响旋转爆震波建立时间。     

两级脉冲爆震发动机激波聚焦起爆数值模拟

通过数值模拟手段，针对两级脉冲爆震发动机（PDE）激波聚焦点火起爆及周期性脉冲爆震进行了详细计算.结果表明:激波汇聚会在发动机内产生两个高温高压区域，且后者压力温度远高于前者，为点火关键.针对起爆失败的工况，提高温度、压力、马赫数3个条件中的任何一个都能成功起爆.通过全场周期性脉冲计算得知，保证成功点火起爆的前提下仍需要调整合适的参数才能维持稳定的周期性脉冲，发动机在入口温度600K，马赫数为2.0，压力为150kPa工况时能够产生稳定的周期性脉冲爆震，频率在300Hz附近.      

激波绕射触发爆震波的试验研究

在单爆震试验平台上对激波绕射触发爆震波的特性进行了试验研究.针对不同的激波反射器结构尺寸,测量了爆震管内气体压力变化历程及火焰传播速度,获得了不同工况下激波绕射触发爆震波的特性.结果表明:激波反射器对爆震波的形成有促进作用,并取决于反射器中的反射锥及反射孔板的结构与尺寸;在反射锥堵塞比一定的情况下,存在最佳反射锥锥角使得爆震波的形成距离最小;而反射锥与反射孔板的间距增大,爆震波形成距离增大,一旦形成稳定的爆震波后,反射器对爆震波压力的影响不大.     

导流块深度对楔形空腔内激波聚焦过程的影响

为研究导流块深度对楔形空腔内径向入射激波聚焦过程的影响,对导流块深度分别为0、5、10、15mm的楔形空腔内激波聚焦的过程开展了实验和数值模拟研究。用高速CCD(charge coupled device)拍摄了楔形空腔中气流流动的纹影照片,用动态压力传感器测量了聚焦过程中流场的压力变化,并用高精度的数值方法对该过程进行了数值模拟研究。通过比较不同导流块深度下激波反射聚焦的过程发现:导流块深度越深,前导激波和压缩波两者聚焦的时间间隔越小,因此增大了激波聚焦的强度和空腔底部的压力峰值。导流块深度会影响二次激波形成的时间和发展程度,从而影响激波聚焦过程中楔形空腔内流场的紊乱程度。      

H2-O2-Cl2混气光化学点火特性

为了研究在H2-O2-Cl2混气中以光化学方式点火的具体物理化学过程，首先建立分析模型，然后根据此模型计算不同爆炸波后压力和温度下的光化学点火过程中温度变化以及各种粒子的浓度变化，最后根据计算结果进行绘图，并深入分析光化学点火过程。分析结果表明，光化学点火方式可以适应高空下的低压状况；在温度达到700K之后，H2-O2链式反应才会启动；光化学点火延迟时间随初始爆炸波后温度和压力的降低而增长。